JP2008130495A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】リリーフ弁の閉弁状態での固着を抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０に連通するガス流路３１にリリーフ弁５０が設けられており、所定条件時にガス流路３１内の圧力をリリーフ弁５０が開弁する圧力まで強制的に上昇させる強制開弁制御を行う制御装置４を設け、所定条件時にリリーフ弁５０を強制的に開弁させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に連通するガス流路にリリーフ弁が設けられた燃料電池システムに関する。

現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、水素タンクから供給される燃料ガスを燃料電池へと流すためのガス流路と、酸化ガスとしての空気をコンプレッサで圧縮して燃料電池へと流すためのガス流路とに、過剰な圧力上昇から燃料電池を保護する目的でリリーフ弁を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１３４１３９号公報

ところで、上記のリリーフ弁は、過剰な圧力上昇が生じた場合に備えて設けられているものであることから、開弁することはまれで、閉弁状態が長期に維持されるものである。このように閉弁状態が長期に維持されることで、リリーフ弁は閉弁状態で固着してしまう可能性があった。このように閉弁状態で固着してしまうと、実際の開弁圧が、設定された開弁圧よりも高くならないと開弁できなくなってしまう。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、リリーフ弁の閉弁状態での固着を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に連通するガス流路にリリーフ弁が設けられた燃料電池システムであって、所定条件時に前記ガス流路内の圧力を前記リリーフ弁が開弁する圧力まで強制的に上昇させる強制開弁制御を行う制御装置を備えたものである。

かかる構成によれば、ガス流路内の圧力がリリーフ弁の設定開弁圧未満で運転されているような異常時以外の場合にも、リリーフ弁を強制的に開弁させることができるため、長期閉弁に起因して生じるリリーフ弁の閉弁状態での固着を抑制できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記強制開弁制御による前記リリーフ弁の開弁を検知すると、当該強制開弁制御を終了するようにしても良い。

かかる構成によれば、無駄にガス（特に、燃料ガス）がリリーフ弁から排出されることを抑制できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記強制開弁制御時における前記リリーフ弁の開弁を、前記ガス流路に設けられた圧力センサで検知するようにしても良い。

かかる構成によれば、システム構成に既存の圧力センサで強制開弁制御によるリリーフ弁の開弁を検知できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記強制開弁制御時における前記リリーフ弁の開弁を、該リリーフ弁のガス流通方向下流側に設けられたガス濃度センサで検知するようにしても良い。

かかる構成によれば、システム構成に既存のガス濃度センサで強制開弁制御によるリリーフ弁の開弁を検知できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記強制開弁制御時に、前記ガス流路内の圧力が前記リリーフ弁の設定開弁圧未満の所定圧に達すると、前記所定圧に達する前よりも圧力上昇速度を遅くするようにしても良い。

かかる構成によれば、制御装置が、強制開弁制御時に、ガス流路内の圧力上昇速度をリリーフ弁の設定開弁圧未満の所定圧の前後で速い状態から遅い状態に切り替えることになるため、圧力上昇速度が速いときにリリーフ弁を短時間で開弁させることができることになる一方で、圧力上昇速度が遅いときにリリーフ弁を開弁させることで開弁に必要な圧力とガス流路内の圧力との差を小さくできるため、リリーフ弁の開弁時のガスの排出量を低減できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記所定条件時が、前記強制開弁制御の指示操作入力時であっても良い。

かかる構成によれば、制御装置が、例えば作業者によって行われる強制開弁制御の指示操作入力時のみ、強制開弁制御を行うことになるため、検査時等の必要時のみ強制開弁制御を行うことができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記所定条件時は、前記燃料電池の高負荷運転時であっても良い。

かかる構成によれば、制御装置が、燃料電池の高負荷運転時、言い換えれば、燃料電池に要求される発電量が所定以上の時、さらに車両搭載時に例えるなら、走行音等がありまた補機類駆動音が発生している時に、強制開弁制御を行うことになるため、リリーフ弁からのガス排出音を打ち消すことができる。また、負荷（要求発電量）の増大に応じてガス圧を上昇させるシステムとすれば、強制開弁制御に伴うガス流路内のガス圧の変化を少なく抑制できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記所定条件時は、温度と時間とに基づいて算出される温度ダメージ時間値が基準値を超えた時点としても良い。

かかる構成によれば、制御装置が、温度と時間とに基づいて算出される温度ダメージ時間値が基準値を超えた時点、つまり、リリーフ弁が固着傾向にあると推定される必要時にリリーフ弁を開弁させることができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記強制開弁制御時に、前記燃料電池のカソード極とアノード極のうち一方の極に連通するガス流路とは別に前記燃料電池の他方の極に連通する他のガス流路の圧力を強制的に上昇させるようにしても良い。

かかる構成によれば、制御装置が、燃料電池に連通する各極（アノード極、カソード極）へのガス流路の圧力を同様に上昇させることになるので、両極間の圧力差を小さくできて、燃料電池にかかる負担を抑制できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記リリーフ弁の排出口がケース内に配置されていても良い。

かかる構成によれば、リリーフ弁の排出口における防塵をケースで行うことができるため、リリーフ弁の開弁に伴って破損するおそれがある防塵用フィルタの排出口への設置を廃止することができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記強制開弁制御時の上昇圧力の目標値を、前回の前記リリーフ弁の開弁圧に基づいて設定するようにしても良い。

かかる構成によれば、制御装置が、前回のリリーフ弁の開弁圧を利用した学習制御で強制開弁制御時の上昇圧力の目標値を設定するため、目標値の精度を向上できる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に連通するガス流路に電磁力で開弁可能なリリーフ弁が設けられた燃料電池システムであって、所定条件時に前記リリーフ弁を電磁力で強制的に開弁する強制開弁装置を備えたものとしても提供することができる。

かかる構成によれば、制御装置が、所定条件時に強制開弁制御を行うことで、電磁力でリリーフ弁を強制的に開弁させる。このように、ガス流路内の圧力がリリーフ弁の設定開弁圧未満で運転されているような異常時以外にも、リリーフ弁を強制的に開弁させることができるため、長期閉弁に起因して生じるリリーフ弁の閉弁状態での固着を抑制できる。しかも、ガス流路の圧力を上昇させる必要がないため、リリーフ弁の強制開弁時にガス（特に、燃料ガス）を無駄に排出させずに済む。

本発明によれば、所定条件時に強制開弁制御を行うことで、リリーフ弁を強制的に開弁させるため、リリーフ弁の閉弁状態での固着を抑制できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。

図１は、燃料電池システム１のシステム構成図である。この燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、具体的には自動車用となっている。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給するガス流路としての酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給するガス流路としての水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。ここで、単電池は固体高分子型のもので、電解質膜及びその両面に配置した一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成される。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。

水素ガス配管系３は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。

なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。

また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力が予め設定された所定値（開弁設定圧）になると機械的に弁体が弁座から離間することで開弁して水素供給流路３１の外に水素ガスを排出するリリーフ弁５０及び水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。

リリーフ弁５０は、水素供給流路３１のインジェクタ３５と燃料電池１０との間の圧力が過剰に上昇して燃料電池１０を含む下流側部品（インジェタク３５よりも下流側に配設された部品）に与え得る損傷を抑制するためのもので、例えば図２に示すように、略円筒状の弁ケース５１と、弁ケース５１内に固定された弁座部材５２と、弁座部材５２と隣り合うように弁ケース５１内に摺動可能に設けられた弁本体５３と、弁本体５３の弁座部材５２とは反対側に固定されたストッパ部材５４と、弁本体５３とストッパ部材５４との間に設けられて弁本体５３を弁座部材５２側に付勢するスプリング５５とを有している。

弁座部材５２は、平面視環状をなしており、内周縁部が全周にわたり弁本体５３の方向に突出して弁本体５３に当接可能な弁座５７を構成している。

弁本体５３は、略有底円筒状をなすとともに、外周部に複数の案内部５８が設けられ、これら案内部５８の案内で弁ケース５１内を摺動する摺動部材５９と、この摺動部材５９の底部の外側に固定されたゴム等の弾性部材からなるシール部材６０とを有しており、摺動部材５９内にスプリング５５が挿入されている。

ストッパ部材５４は、円板状をなしており、軸線方向に貫通する排出口６１が複数形成されている。

このようなリリーフ弁５０は、弁座部材５２側を水素供給流路３１に接続させることになり、弁本体５３は、水素供給流路３１内のガス圧力がスプリング５５の付勢力で決まる設定開弁圧よりも低い場合は、シール部材６０を弁座５７に当接させて閉弁している。

他方、弁本体５３は、水素供給流路３１内のガス圧力が設定開弁圧以上になると、通常、スプリング５５の付勢力に抗して移動して、シール部材６０を弁座５７から離座させ開弁する。その結果、水素供給流路３１内のガスを弁座部材５２の内側、弁座５７とシール部材６０との隙間、弁本体５３と弁ケース５１との隙間及び排出口６１を介して外部に放出する。

ここで、リリーフ弁５０は、上記した燃料電池１０を覆うスタックケース６４内に収納されており、このスタックケース６４で排出口６１を含むことによって当該排出口６１が防塵されているため、通常防塵のために必要な排出口６１を覆うフィルタが不要となっている。

レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。

インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えてなる。

本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積（開口状態）を２段階以上の多段階又は無段階に切り替えることができるようになっている。制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。

インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５のガス流路に設けられた弁体の開口状態（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。

なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。

また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。

制御装置４は、車両に設けられた加速操作装置（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。

なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。

なお、制御装置４には、ユーザーには操作困難な位置に設けられることでメンテナンス時等に作業者によって操作される特殊なメンテナンススイッチ６６が接続されている。

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０のアノード極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０のカソード極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置４で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。

ここで、リリーフ弁５０のシール部材６０は、閉弁時にスプリング５５の付勢力で弁座５７に押し付けられているため、閉弁状態が長期に維持されると、シール部材６０が弁座５７に当接した閉弁状態で固着してしまう。このため、本実施形態に係る燃料電池システム１においては、制御装置４が、予め設定された所定条件時に、リリーフ弁５０が連通する水素供給流路３１内のインジェクタ３５よりも下流側部分の水素ガスの圧力を、リリーフ弁５０を実際に開弁させるまで強制的に上昇させる強制開弁制御を行う。

例えば、車両整備時等にメンテナンススイッチ６６が作業者によって操作されると、図３に示すように、制御装置４は、強制開弁制御を実行する所定条件時になったと判定して（ステップＳ１）、二次側圧力センサ４３の検出値に基づいてインジェクタ３５を制御して、まず、水素供給流路３１内のインジェクタ３５よりも下流側部分の水素ガスの圧力を予め設定された所定の切替圧（所定圧）まで、予め設定された第１の所定の上昇速度で上昇させる（ステップＳ２）。

この切替圧は、リリーフ弁５０に固着が生じていない時の設定開弁圧未満であって設定開弁圧より若干低い圧力値に設定される。そして、この切替圧に達したことが二次側圧力センサ４３で検出されると（ステップＳ３。図４に示すｔ１時点）、制御装置４は、インジェクタ３５を制御して、水素供給流路３１内の圧力を、この切替圧に達する前よりも遅い、予め設定された第２の所定の上昇速度で上昇させる（ステップＳ４）。

このような圧力の上昇で、リリーフ弁５０は、固着していなければ水素供給流路３１内の圧力が設定開弁圧となると開弁し、固着していた場合には設定開弁圧を超えてから開弁する。そして、制御装置４は、このリリーフ弁５０の開弁を、水素供給流路３１内のインジェクタ３５よりも下流側部分の圧力を検出する二次側圧力センサ４３で検知する。

例えば図４に示すように、リリーフ弁５０が開弁すると、二次側圧力センサ４３の検出値に基づく圧力変化がそれまでの上昇傾向から下降傾向あるいは上昇速度の縮小に変化することになるため（図４に示すｔ２時点）、この下降傾向あるいは上昇速度の縮小を検出して、制御装置４は、リリーフ弁５０が開弁したと判断する。

そして、このようにしてリリーフ弁５０の開弁を検知すると（ステップＳ５）、この実際の開弁圧をメモリ等の記憶手段に記憶するとともに、インジェクタ３５を閉状態として（ステップＳ６）、水素ガスの下流側への供給を停止して強制開弁制御を終了する。

以上に述べた本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、制御装置４が、所定条件時に強制開弁制御を行うことで、インジェクタ３５により水素供給流路３１内の圧力を上昇させてリリーフ弁５０を強制的に開弁させる。このように、異常時以外にも、リリーフ弁５０を強制的に開弁させることができるため、長期閉弁に起因して生じるリリーフ弁５０の閉弁状態での固着を抑制できる。これにより、リリーフ弁５０の開弁圧を設定開弁圧近くに維持することができるため、燃料電池１０の運転能力を確保できる。

つまり、燃料電池１０の耐圧値は構造上ある程度以上に高めることが困難であり、このように耐圧値の限界が決まっている状態で、図５に示すように、この耐圧値Ｘ１とリリーフ弁５０の設定開弁圧Ｘ２との間には、耐圧値Ｘ１に達する前にリリーフ弁５０を確実に開弁させる必要性からマージンＭ１をとる必要があり、また、リリーフ弁５０の設定開弁圧Ｘ２と燃料電池１０の通常運転時の最大圧力Ｘ３との間にもリリーフ弁５０の通常運転時の不要な開弁を防ぐためのマージンＭ２をとる必要があるところ、リリーフ弁５０に固着があると、固着を解除するための圧力分を含めて上記したマージンＭ１を多くとる必要があるので、その分、燃料電池１０の通常運転時の圧力Ｘ３を下げなければならない。

これに対し、本実施形態の燃料電池システム１では、マージンＭ１を少なくできるため、燃料電池１０の運転時の最大圧力Ｘ３を高くでき、これにより、燃料電池１０の運転能力を確保できることになって、システムを効率化できる。

また、制御装置４が、強制開弁制御によるリリーフ弁５０の開弁を検知すると、この強制開弁制御つまり水素供給流路３１内のインジェクタ３５よりも下流側の圧力上昇を終了するため、無駄に水素ガスがリリーフ弁５０から排出されることを抑制できる。

このとき、通常のインジェクタ３５の制御のために水素供給流路３１に設けられた二次側圧力センサ４３でリリーフ弁５０の開弁を検知するため、システム構成に既存の二次側圧力センサ４３で強制開弁制御によるリリーフ弁５０の開弁を検知できる。したがって、コスト上昇を抑制できる。

加えて、制御装置４は、強制開弁制御時に、水素供給流路３１内のインジェクタ３５よりも下流側の圧力上昇速度をリリーフ弁５０の設定開弁圧未満の切替圧の前後で速い状態から遅い状態に切り替えることになるため、リリーフ弁５０が開弁するまでは、圧力上昇速度が速い運転状態を維持することで、短時間でリリーフ弁５０を開弁させることができることになる。

他方、リリーフ弁５０が開弁するときには、圧力上昇速度が早い運転状態から遅い運転状態に切り替わっているので、リリーフ弁５０の開弁に必要な圧力と水素供給流路３１内の圧力との差を小さくでき、リリーフ弁５０の開弁時の無駄な水素ガスの排出を低減できる。

さらに、制御装置４は、メンテナンススイッチ６６を用いた強制開弁制御の指示操作入力時のみ、強制開弁制御を行うことになるため、検査時等の必要時のみ強制開弁制御を行うことができる。したがって、リリーフ弁５０の開弁時の騒音に起因したユーザーの不快感等を抑制できる。

加えて、リリーフ弁５０の排出口６１の防塵をスタックケース６４で行うことができるため、リリーフ弁５０の開弁に伴って破損するおそれがある排出口６１に設けられた防塵用のフィルタを廃止することができる。したがって、フィルタを設けた場合にリリーフ弁５０の開弁時に生じ得るフィルタ破損の心配がなくなる。

なお、以上の実施形態では、強制開弁制御時のリリーフ弁５０の開弁を二次側圧力センサ４３で検知するようにしたが、スタックケース６４内には、水素ガスの濃度を検出する水素ガス濃度センサが配置されるため、図２に二点鎖線で示すように、この水素ガス濃度センサ６８をリリーフ弁５０の排出口６１のガス放出方向前方、つまりガス流通方向下流側に設けて、この水素ガス濃度センサ６８で検出された水素濃度が予め設定された所定値を超えたらリリーフ弁５０が開弁したと判断しても良い。

この場合も、システム構成に既存のガス濃度センサ６８で強制開弁制御によるリリーフ弁５０の開弁を検知できるため、コスト上昇を抑制できる。

以上の実施形態では、メンテナンススイッチ６６を介しての強制開弁制御の指示操作入力時を、強制開弁制御を実行する所定条件時としたが、以下のように変更しても良い。例えば、リリーフ弁５０の閉弁の継続時間をタイマ等で計時しておき、この継続時間が予め設定された所定時間を超えたら、その後に最初に燃料電池１０が予め設定された所定負荷（要求発電量）以上の高負荷運転となったときを、強制開弁制御を実行する所定条件時としても良い。

このように構成すれば、燃料電池１０の高負荷運転時（加速時や登坂時など、要求発電量が所定値以上の運転時）、つまり、車両搭載状態では比較的大きな走行音等があり、また、補機類駆動音が発生している状態で、強制開弁制御を行うことになるため、リリーフ弁５０からのガス排出音を打ち消すことができる。

また、負荷（要求発電量）の大きさに合わせてガス圧を上昇させるシステムであるため、高負荷運転時はガス圧が高くなり、その結果、このとき強制開弁制御を行うことで、これに伴う水素供給流路３１内のガス圧の変化を少なく抑制できる。

さらに、例えば温度と時間とに基づいて算出される温度ダメージ時間値が予め設定された基準値を超えた時点を、強制開弁制御を実行する所定条件時としても良い。つまり、シール部材６０は、ゴム等の弾性部材からなっており、温度によって固着の度合いが変化する（温度が高いほど固着が進行しやすい）ため、例えば、温度が予め設定された第１の所定範囲（例えば４０℃未満）ではダメージ度数を１とし、温度が第１の所定範囲よりも高い予め設定された第２の所定範囲（例えば４０℃以上）ではダメージ度数を２とし、このように温度区分毎に設定されたダメージ度数にそれぞれが維持された時間ｔを乗算した値を積算した値を温度ダメージ時間値ｆ（Ｔ）×ｔとし、この温度ダメージ時間値ｆ（Ｔ）×ｔが基準値を超えたら強制開弁制御を実行するのである。

このように構成すれば、温度と時間とに基づいて算出される温度ダメージ時間値が基準値を超えた時点、つまり、リリーフ弁５０が固着傾向にあると推定される必要時にリリーフ弁５０を開弁させることができる。この場合も、温度ダメージ時間値が基準値を超えた後に最初に燃料電池１０が予め設定された所定負荷以上の高負荷運転となったときを強制開弁制御を実行する所定条件時としても良い。

勿論、上記した強制開弁制御を実行する所定条件時の判断をすべて組み合わせて、例えばいずれか一つでも所定条件時であると判断された場合に強制開弁制御を実行するようにしても良い。

また、以上の実施形態では、強制開弁制御の終了時にインジェクタ３５を閉じて水素ガスの下流側への供給を停止させるようにしたが、水素タンク３０の遮断弁３３を閉じても良い。ただし、インジェクタ３５を閉じるようにすれば、水素タンク３０からインジェクタ３５までのガス圧は保持できるため、その後、燃料電池１０にガスを供給する際の応答性を高めることができる。

さらに、以上の実施形態では、第１の所定の上昇速度と第２の所定の上昇速度とを切り替える所定の切替圧を、リリーフ弁５０に固着が生じていない時の設定開弁圧未満としたが、前回開弁時からの経時時間により多少の固着がリリーフ弁５０に生じていると推定される場合には、切替圧を設定開弁圧に設定しても良い。

加えて、以上の実施形態では、リリーフ弁５０をスタックケース６４に収納したが、リリーフ弁５０の少なくとも排出口６１をケースに収納すればフィルタを省略できることになり、例えば、リリーフ弁５０をスタックケースではなく、専用ケース等の他のケースに収納したりしても良い。

以上の各実施形態においては、制御装置４が、上記した強制開弁制御時に、インジェクタ３５による水素供給流路３１の圧力上昇に合わせて、コンプレッサ２４により空気供給流路２１の圧力を強制的に上昇させるようにしても良い。

この場合、図６に示すように、空気供給流路２１における燃料電池１０とコンプレッサ２４との間に遮断弁７０を設け、この遮断弁７０と燃料電池１０との間に圧力センサ７１を設けるとともに、空気供給流路２１における燃料電池１０の下流側に遮断弁７２と調圧弁７３とを設ける。

そして、調圧弁７３を閉じた状態でコンプレッサ２４により燃料電池１０に空気を供給し、あるいは、遮断弁７２を閉じた状態でコンプレッサ２４により燃料電池１０に空気を供給し、圧力センサ７１で目標圧力に達したことが検出されると、上流側の遮断弁７０を閉じるように制御しても良い。このとき、燃料電池１０のアノード極とカソード極との間に生じる極間差圧が予め設定された許容範囲内に収まるように、コンプレッサ２４、遮断弁７０、遮断弁７２及び調圧弁７３を制御する。

このように制御すれば、燃料電池１０に連通するアノード極への水素供給流路３１と同様に、カソード極への空気供給流路２１の圧力を上昇させることになり、両極間の圧力差を小さくでき、燃料電池１０にかかる負担を抑制できる。よって、特に燃料電池１０の固体高分子からなる電解質膜へのダメージを抑制できる。

また、以上の実施形態において、制御装置４が、強制開弁制御時の上昇圧力の目標値を前回のリリーフ弁５０の実際の開弁圧に基づいて設定するようにしても良い。つまり、強制開弁制御時に、第１の所定の上昇速度で上昇させられ、第２の所定の上昇速度に切り替えられる切替圧を、前回のリリーフ弁５０の実際の開弁圧、あるいはこの開弁圧に悪化分を想定した所定値を加算した値に設定する。

このように構成すれば、前回のリリーフ弁５０の開弁圧を利用した学習制御で強制開弁制御時の上昇圧力の切替値を設定することになるため、切替値の精度を向上でき、リリーフ弁５０から無駄に水素ガスを排出することなく、しかも、強制開弁制御に必要な時間を短縮することができる。

さらに、上記したリリーフ弁５０に図７に示すようにソレノイド７５を設け、ソレノイド７５への通電により発生する電磁力で弁本体５３をスプリング５５の付勢力に抗して駆動可能、つまり、開弁可能に構成し、制御装置（強制開弁装置）４が、所定条件時に強制開弁制御としてソレノイド７５への給電を実施することにより、リリーフ弁５０を電磁力で強制的に開弁させるようにしても良い。

このように構成すれば、上記した実施形態と同様に、異常時以外にも、リリーフ弁５０を強制的に開弁させることができるため、長期閉弁に起因して生じるリリーフ弁５０の閉弁状態での固着を抑制できる。しかも、この場合、ソレノイド７５の電磁力で開弁するため、水素供給流路３１内のガス圧を上昇させる必要がなく、よって、リリーフ弁５０の強制開弁時も水素ガスを無駄に排出させずに済む。

なお、本発明は、水素供給流路３１に設けられたリリーフ弁５０以外に、酸化ガス配管系２及び水素ガス配管系３のいずれに設けられるリリーフ弁に対しても適用可能である。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示す燃料電池システムのリリーフ弁を示す断面図である。 図１に示す燃料電池システムの強制開弁制御の制御内容を示すフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムの強制開弁制御を説明するタイミングチャートである。 図１に示す燃料電池システムの強制開弁制御による効果を説明するための線図である。 図１に示す燃料電池システムの変形例の部分構成図である。 図１に示す燃料電池システムのリリーフ弁の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、４…制御装置（強制開弁装置）、１０…燃料電池、２１…空気供給流路（他のガス流路）、３１…水素供給流路（ガス流路）、３５…インジェクタ、４３…二次側圧力センサ（圧力センサ）、５０…リリーフ弁、６１…排出口、６４…スタックケース（ケース）、６８…ガス濃度センサ。

Claims (12)

1. 燃料電池に連通するガス流路にリリーフ弁が設けられた燃料電池システムであって、
   所定条件時に前記ガス流路内の圧力を前記リリーフ弁が開弁する圧力まで強制的に上昇させる強制開弁制御を行う制御装置を備えた燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記強制開弁制御による前記リリーフ弁の開弁を検知すると、当該強制開弁制御を終了する燃料電池システム。
3. 請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記強制開弁制御時における前記リリーフ弁の開弁を、前記ガス流路に設けられた圧力センサで検知する燃料電池システム。
4. 請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記強制開弁制御時における前記リリーフ弁の開弁を、当該リリーフ弁のガス流通方向下流側に設けられたガス濃度センサで検知する燃料電池システム。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記強制開弁制御時に前記ガス流路内の圧力が前記リリーフ弁の設定開弁圧未満の所定圧に達すると、前記所定圧に達する前よりも圧力上昇速度を遅くする燃料電池システム。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記所定条件時は、前記強制開弁制御の指示操作入力時である燃料電池システム。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記所定条件時は、前記燃料電池の高負荷運転時である燃料電池システム。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記所定条件時は、温度と時間とに基づいて算出される温度ダメージ時間値が基準値を超えた時点である燃料電池システム。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記強制開弁制御時に、前記燃料電池のカソード極とアノード極のうち一方の極に連通するガス流路とは別に前記燃料電池の他方の極に連通する他のガス流路の圧力を強制的に上昇させる燃料電池システム。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
    前記リリーフ弁の排出口がケース内に配置されている燃料電池システム。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御装置は、前記強制開弁制御時の上昇圧力の目標値を、前回の前記リリーフ弁の開弁圧に基づいて設定する燃料電池システム。
12. 燃料電池に連通するガス流路に電磁力で開弁可能なリリーフ弁が設けられた燃料電池システムであって、
    所定条件時に前記リリーフ弁を電磁力で強制的に開弁する強制開弁装置を備えた燃料電池システム。

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